Project Natick

Project Natick — это исследовательский проект компании Microsoft, направленный на изучение возможности размещения и эксплуатации центров обработки данных (ЦОД) под водой. Проект был запущен в 2013 году и предусматривал создание прототипов подводных дата-центров, полностью герметизированных и способных функционировать без обслуживания в течение нескольких лет.

История

Предпосылки и концепция

Идея размещения серверов под водой возникла как ответ на ряд проблем, характерных для наземных ЦОД. Основные из них: высокие затраты на охлаждение (до 40% энергопотребления), необходимость в больших площадях и сложность обеспечения бесперебойного электропитания. Подводное размещение предлагало естественное охлаждение за счёт морской воды, а также возможность использования возобновляемых источников энергии, таких как приливные и океанические течения. Кроме того, подводные ЦОД могли быть размещены вблизи крупных прибрежных городов, где сосредоточено большинство пользователей, что сокращало задержки передачи данных.

Фаза I (2013–2015)

Первая фаза проекта была реализована в 2013 году в Тихом океане, у побережья Калифорнии. Прототип, названный Leona Philpot (в честь персонажа видеоигры Halo), представлял собой герметичный контейнер длиной около 2,4 метра и диаметром 1,2 метра. Внутри находился один сервер с 8 процессорами и 32 гигабайтами оперативной памяти. Контейнер был оснащён системой охлаждения, работающей на основе теплообмена с окружающей водой, и датчиками для мониторинга температуры, влажности и вибрации. Прототип был погружён на глубину около 9 метров и проработал 105 дней, после чего был извлечён и проанализирован. Результаты показали, что подводная среда не оказывает негативного влияния на работу оборудования, а отказы были связаны только с ошибками в программном обеспечении, а не с физическими условиями.

Фаза II (2018–2020)

Вторая, более масштабная фаза стартовала в 2018 году у побережья Оркнейских островов (Шотландия) в Северном море. Для неё был построен полноценный подводный ЦОД, названный Northern Isles. Контейнер длиной 12,2 метра и диаметром 2,8 метра содержал 12 стоек с 864 серверами и 27,6 петабайтами дискового пространства. Внутренняя атмосфера была заполнена азотом для снижения коррозии и риска возгорания. Контейнер был погружён на глубину 35 метров и подключён к береговой электросети через подводный кабель. Проект был рассчитан на 5 лет работы без обслуживания, но был извлечён на поверхность досрочно — в июне 2020 года, после 2 лет эксплуатации. Причиной стало завершение исследовательской фазы и необходимость анализа данных.

Устройство и технические характеристики

Конструкция контейнера

Контейнер подводного ЦОД представляет собой герметичный стальной цилиндр, покрытый антикоррозийным составом. Внутреннее пространство разделено на отсеки: серверный зал, блок системы охлаждения и блок электропитания. Все компоненты размещены на специальных амортизирующих платформах для защиты от вибраций и подводных течений. Герметизация обеспечивается сварными швами и резиновыми уплотнителями.

Система охлаждения

Основной принцип охлаждения — пассивный теплообмен. Морская вода, температура которой на глубине 35 метров в Северном море составляет около 4–6 °C, циркулирует через теплообменники, расположенные на внешней поверхности контейнера. Внутри контейнера используется замкнутый контур с диэлектрической жидкостью, которая отводит тепло от серверов и передаёт его на теплообменники. Вентиляторы внутри контейнера обеспечивают циркуляцию воздуха. По данным Microsoft, такая система позволяет снизить энергопотребление на охлаждение на 90% по сравнению с традиционными наземными ЦОД.

Электропитание и связь

Электропитание подводного ЦОД осуществляется по подводному силовому кабелю, проложенному от береговой подстанции. Внутри контейнера установлены блоки бесперебойного питания (ИБП) на литий-ионных аккумуляторах, способные поддерживать работу в течение нескольких часов в случае отключения внешнего питания. Связь с берегом обеспечивается через оптоволоконный кабель, входящий в состав того же подводного кабеля. Скорость передачи данных соответствует стандартам для наземных ЦОД.

Мониторинг и управление

Все параметры работы подводного ЦОД (температура, влажность, вибрация, давление, энергопотребление) контролируются удалённо через систему телеметрии. Операторы могут вносить изменения в конфигурацию серверов и программного обеспечения без физического доступа к оборудованию. В случае аварийной ситуации (например, утечки) предусмотрено автоматическое отключение питания и герметизация отсеков.

Результаты и выводы

Надёжность

За 2 года эксплуатации подводного ЦОД Northern Isles было зафиксировано всего 8 отказов серверов, что в 8 раз меньше, чем в аналогичном наземном ЦОД, расположенном в том же регионе. Microsoft связывает это с отсутствием пыли, колебаний температуры и влажности, а также с защитой от человеческого фактора (ошибки персонала). Кроме того, азотная атмосфера внутри контейнера предотвращает коррозию контактов.

Энергоэффективность

Показатель PUE (Power Usage Effectiveness) для подводного ЦОД составил 1,07, что значительно ниже среднего показателя для наземных ЦОД (1,2–1,4). Это означает, что на охлаждение и вспомогательные системы тратится всего 7% от общего энергопотребления, против 20–40% в наземных ЦОД.

Экологическое воздействие

Microsoft заявляет, что подводные ЦОД не оказывают негативного влияния на морскую экосистему. Контейнеры изготовлены из инертных материалов, не выделяющих токсичных веществ. Тепло, выделяемое серверами, рассеивается в толще воды и не приводит к локальному нагреву. После завершения эксплуатации контейнеры планируется извлекать и утилизировать. Однако независимые экологические исследования по данному проекту не проводились.

Критика и ограничения

Экономическая целесообразность

Основной критикой проекта является высокая стоимость строительства и развёртывания подводных ЦОД. Герметизация, антикоррозийная защита, подводные кабели и системы мониторинга делают такой ЦОД значительно дороже наземного. По оценкам экспертов, стоимость развёртывания подводного ЦОД может быть в 2–3 раза выше, чем наземного аналогичной мощности. Кроме того, обслуживание (ремонт, замена оборудования) требует подъёма контейнера на поверхность, что связано с дополнительными затратами и простоем.

Технические ограничения

Подводные ЦОД не могут быть размещены в регионах с высокой сейсмической активностью, сильными подводными течениями или вблизи судоходных путей. Также существует риск повреждения контейнера рыболовными тралами или якорями. Для защиты от таких угроз требуется установка дополнительных ограждений или выбор специальных зон, что увеличивает стоимость.

Масштабирование

Проект Natick продемонстрировал работу одного компактного ЦОД. Для размещения крупных дата-центров, состоящих из сотен или тысяч контейнеров, потребуется создание целых подводных кластеров, что сопряжено с логистическими и инженерными сложностями. Кроме того, подводные ЦОД не могут быть быстро модернизированы или расширены в отличие от наземных.

Применение и перспективы

Потенциальные области применения

Microsoft рассматривает подводные ЦОД как решение для регионов с ограниченной наземной инфраструктурой, например, для островных государств, удалённых прибрежных зон или военных объектов. Также подводные ЦОД могут быть использованы для временного развёртывания в случае стихийных бедствий или военных конфликтов, когда наземные ЦОД могут быть повреждены.

Дальнейшее развитие

После завершения второй фазы в 2020 году Microsoft объявила о приостановке активных исследований по Project Natick. Компания заявила, что полученные данные будут использованы для совершенствования наземных ЦОД, в частности, для внедрения систем охлаждения на основе погружения в диэлектрическую жидкость и повышения энергоэффективности. В 2023 году Microsoft не анонсировала новых подводных проектов. Тем не менее, концепция подводных ЦОД продолжает изучаться другими компаниями, включая Google и Alibaba, а также исследовательскими институтами.

Источники

• Microsoft. «Project Natick: Phase 2». Microsoft Research, 2020.
• Microsoft. «Underwater data center: A new approach to cloud computing». Microsoft News, 2018.
• «Microsoft’s underwater data center test shows promise». IEEE Spectrum, 2020.
• «Project Natick: The world’s first underwater data center». Data Center Dynamics, 2020.
• «Microsoft’s underwater data center: A look inside». The Verge, 2020.